emotionbutterflies Kollektíven mozgó ultrakönnyű repülő szerkezetek

Átírás

1 emotionbutterflies Kollektíven mozgó ultrakönnyű repülő szerkezetek

2 emotionbutterflies Koordinált repülés beltéri GPS segítségével A repülés nemcsak az emberiség egyik legrégebbi álma, hanem a Bionic Learning Network egyik vissza-visszatérő kutatási területe is. A Festo főiskolákkal, kutatóintézetekkel és fejlesztőcégekkel együttműködve évek óta dolgozik olyan kutatási témákon, amelyek műszaki alapelvei a természetet másolják. A Festo első bionikus repülő szerkezetei még héliummal voltak töltve, a SmartBird azonban már képes volt elegendő felhajtóerőt létrehozni a szárnyaival. A fejlesztők ezt a technikát továbbfejlesztve alkották meg a szitakötők repülését utánzó BionicOptert, majd az emotionspheres projekt keretében bemutatták, hogyan mozoghatnak autonóm repülő szerkezetek egy behatárolt térben anélkül, hogy összeütköznének. Az emotion Butterflies projekt keretében a Festo ezúttal a mesterséges rovarok ultrakönnyű szerkezetét kombinálja egy raj koordinált repülésével. A mesterséges pillangók magasan integrált fedélzeti elektronikája szavatolja természetben előforduló példányok repülésének minél jobb leképezését. Az elektronika képes a szárnyakat különkülön precízen vezérelni, amelyek így pontosan hajtják végre a gyors mozgásokat. A különböző manőverek biztos és stabil végrehajtásához állandó kommunikációs kapcsolat szükséges. Az egyes repülő szerkezetek helyének meghatározására a fedélzeti rádiós és érzékelőtechnológia, valamint egy földre telepített irányító- és felügyeleti rendszer kombinációja szolgál. A beltéri GPS fontos eleme a kamerarendszer, amelyet akár a jövő gyáraiban is lehetne használni. A helyiségben elhelyezett 10 infravörös kamera két aktív jeladó (infravörös LED) segítségével érzékeli a pillangókat. A kamerák a pozícióadatokat egy központi számítógépnek továbbítják, amely úgy koordinálja a lepkék mozgását, mint egy légiirányító. Világos mozgásminták szavatolják az ütközések elkerülését Az emotionbutterflies pillangók vezérléséhez nincs szükség emberi beavatkozásra. A központi számítógépen előre programozott útvonalat tároltak el, amelyek meghatározzák a pillangók pályáját. Emellett viselkedésmintákat is programoztak, melyek segítségével a pillangók önállóan is képesek mozogni a térben. Eközben nincs közvetlen kommunikációs kapcsolat a bionikus repülő szerkezetek között. 2 Festo AG & Co. KG

3 01: Az alapok következetes továbbgondolása: ultrakönnyű szerkezet és kollektív mozgás kombinációja 02: Hálózatba kapcsolt rendszer: egybeolvad a virtuális és a valódi világ 03: Csúcstechnológiájú infravörös technológia: a pillangók helyzetének precíz meghatározása 04: Biztonságos kezelés: veszélytelen interakció ember és gép között A pillangók rádiójeleken kapják meg pályaadataikat a központi számítógéptől, majd megkísérlik azt optimálisan végrehajtani. Az ehhez szükséges szárnymozgásokat helyben számítja ki a repülő szerkezetek fedélzeti rendszere. Ha egy pillangó elhagyja röppályáját, a rendszer azonnal korrigál. Ennek érdekében a kamerarendszer másodpercenként 160-szor határozza meg a repülő szerkezetek pontos helyzetét. A központi számítógép ezek alapján végzi el az eltérések korrekcióját. A számítógép folyamatosan frissíti a röppályákat, ami az ütközésveszély korai felismerését is szavatolja. Az ütközések elkerülése érdekében a számítógép megfelelő kitérési stratégiákat használ adott szabályok alapján. Pontos helymeghatározás infravörös technológiával A tíz kamerát úgy helyezték el hogy teljesen leképezzék a teret és egyidejűleg legalább két kamera lásson egy-egy pillangót. Speciális szűrőjüknek köszönhetően a kamerák kizárólag az infravörös fényt érzékelik, más hullámhosszú fény egyáltalán nem befolyásolja működésüket. A pillangók térbeli helyzetét és orientációját a törzsükön elhelyezett két infravörös LED segítségével észlelik, és képesek megkülönböztetni a külsőleg teljesen egyforma repülő szerkezeteket. Nagy térbeli lefedés aktív markerek segítségével Míg a passzív prizmákat külön meg kell világítani, addig a két LED maga bocsát ki infravörös sugárzást. A fénynek csupán a pillangó és a kamera közötti távolságot kell megtennie, ezért az aktív markerek használatával nagyobb teret lehet lefedni adott számú kamerával. A markerek nem folyamatosan világítanak, hanem csupán egy-egy milliszekundumra villannak fel. Ennek köszönhetően rendkívül energiatakarékosak és hosszú élettartamúak. A kamerák a villanásokkal szinkronizálva rögzítik képeiket, amelyeket aztán a központi számítógépnek továbbítanak. Gyors rendszerkalibrálás A központi számítógép csak akkor képes meghatározni a pillangók térbeli helyzetét, ha előzetesen megismeri a kamerák elhelyezkedését. A rendszer ehhez szükséges kalibrálása gyorsan és egyszerűen végezhető el. Ehhez egy másik repülő szerkezet körülbelül 15 percen keresztül repül szabadon a térben, a kamerák pedig érzékelik az arra erősített célkeresztet. A számítógép képes a feljegyzett repülési adatokból meghatározni az összes kamera pontos elhelyezkedését és orientációját a koordináta-rendszerben. emotionbutterflies 3

4 emotionbutterflies Kollektíven mozgó ultrakönnyű repülő szerkezetek A pillangók különleges tulajdonságai A pillangók elsősorban arról ismertek, hogy hernyóként jönnek a világra, majd életük későbbi szakaszában színpompás lepkévé alakulnak át. Különösen feltűnő jellegzetességük, hogy keskeny testükhöz képest igen nagyok a szárnyaik. Ezek egy leheletfinom rugalmas hártyából állnak, és egyedülállóan légies megjelenést és aerodinamikát kölcsönöznek a lepkéknek. Műszaki hozadék a Festo számára A Festo az emotionbutterflies projektben lemásolta a pillangók rendkívül kecses és mozgékony repülését. Az ütközések elkerülése érdekében beltéri GPS segíti az ultrakönnyű repülő szerkezetek mozgásának összehangolását, és a jövőben irányító és felügyeleti rendszerként lenne alkalmazható a termelésben.

5

6 emotionbutterflies Magasan integrált kutatási platform A mesterséges pillangók vezérlésének fejlesztése során a mérnökök a BionicOpter és az emotionspheres projekt során szerzett tapasztalataikat is felhasználták. A beltéri GPS már a lebegő gömböknél is szerepet kapott, majd azt továbbfejlesztették az emotion Butterflies projekthez. A kamerák növelt mintavételezési sebességének köszönhetően a rendszer még pontosabb lett, ami elengedhetetlen a pillangók pontos helyzetének nyomonkövetéséhez. Az emotionspheres projektben használt gömbökhöz képest a mesterséges pillangók igen fürgék és folyamatosan mozgásban vannak. Emiatt nem csak autonóm mozgásuk, hanem annak kívülről történő összehangolása is összetettebb feladat. Minimális helykínálat: a törzs Az emotionbutterflies pillangók szerkezete csak a lényegesre korlátozódik: csupán rögzítési pontként szolgál az egyes alkatrészek számára. Ez a felépítés nem csak a súlycsökkenéshez vezet, hanem egyszerű és gyors szerelést is szavatol. A mesterséges pillangók törzse egy lézerszinterezett váz. Ehhez rögzítették a szükséges részegységeket az elektronikát, az akkumulátort és két szervomotort a lehető legkisebb helyen. A motorokhoz egy-egy szárnytő csatlakozik, ezekre van rögzítve az első és a hátsó szárny. A hátsó szárnyak egy csuklóval is csatlakoznak a törzshöz, ezáltal tulajdonképpen kormányműként szolgálnak. Komplex rendszer csökkentett anyagfelhasználással A pillangókkal a Festo újabb előrelépést ért el a miniatürizálás, a könnyűszerkezetes építés és a funkcióintegráció területén. Gyakran előfordul, hogy a bonyolult feladatokat hatalmas műszaki ráfordítással kívánják megoldani. Az emotionbutterflies pillangók azonban intelligensen alkalmazott mechanikájukkal, kis helyen található parányi részegységekkel és rendkívül csekély anyagfelhasználással hagynak maradandó benyomást a szemlélőkben. Következetes könnyűszerkezetes építés: a szárnyak A természetes repülés szempontjából rendkívül fontos, hogy a szerkezet súlya minél kisebb, míg fesztávolsága viszonylag nagy legyen. A szárnyak ezért hajszálvékony, hajlított karbon pálcikákból, valamint rugalmas kondenzátorfóliából készültek. A pillangók különleges aerodinamikája annak köszönhető, hogy a szárnyak kismértékben fedik egymást, így szárnycsapáskor légrés keletkezik közöttük. 6 Festo AG & Co. KG

7 01: Minimális önsúly: következetes könnyűszerkezetes építés csekély anyagfelhasználással. 02: Aerodinamikus szárny: a lehető legnagyobb fesztávolság a lehető legkisebb súly mellett 03: Páratlan repülési tulajdonságok: szabadon mozoghatnak, akár természetes előképeik 04: Kimagasló folyamatstabilitás: a folyamatos kommunikáció ütközések nélküli manőverezést tesz lehetővé A fedélzeti elektronika lehetővé teszi a két szárnypár precíz vezérlését, emellett saját inerciális érzékelőkkel is rendelkezik a repülési magatartás szabályozásához. A két szervomotorral egyedileg és szabadon állítható a csapások amplitúdója és sebessége, valamint a mindenkori irányváltási pont. Mindezeknek köszönhetően az emotionbutterflies pillangók tökéletesen manővereznek, igen fürgék és nagyon hasonlítanak természetes példányaikhoz. Egybeolvad a valódi és a virtuális világ A jövő gyártásáról való gondolkodás során összenő a valódi és a virtuális világ. A tervezett rendszerek egymással szoros kapcsolatban álló elemekből és hálózatba kapcsolt alrendszerekből állnak majd. Az egyes elemek közötti folyamatos információcsere szavatolja azok üzembiztonságát, valamint a teljes rendszer folyamatstabilitását. Új megközelítések a jövő gyárához A Festo a Bionic Learning Network keretében azonban nem csak a természeti jelenségek műszaki leképezésén dolgozik. Bionikus projektjeink kutatási platformként is szolgálnak a jövő gyártásának technológiái, alkalmazásai és megoldásai számára. A Festo ennek során már több éve kísérletezik a hálózatba kapcsolt egységek kollektív magatartásával. Az emotionbutterflies pillangók ugyanis valószínűleg nem repdesnek majd a jövő gyárában, hanem inkább az integrált technológiák és a hálózatba kapcsolt rendszer demonstrálására szolgálnak, és a jövőbeli ipari logisztikai alkalmazások egyik lehetséges megoldását vázolják fel. A Festo az emotionbutterflies projekttel már most bemutatja, hogyan lehet több, szorosan hálózatba kapcsolt szerkezet háromdimenziós térbeli mozgását ütközések nélkül összehangolni. A kommunikációért a központi számítógép felel: összegyűjti az információkat, feldolgozza, majd valós időben továbbítja azokat a rendszer egyes elemeinek. A projektnél alkalmazott kameratechnika nagy lefedést biztosít és szavatolja a rendkívül fürgén mozgó szerkezetek precíz helymeghatározását. A markerek hatékony energiafelhasználású működése, valamint a gyors üzembe helyezés lehetősége igazolja, hogy a beltéri GPS szemléletes példája a jövő gyárában alkalmazható lehetséges irányító és felügyeleti rendszereknek. emotionbutterflies 7

8 Műszaki adatok A projekt résztvevői Telepítés: 10 infravörös kamera Mintavételezési sebesség: kép/másodperc Megvilágítási idő: µs 1 központi számítógép Kiértékelt képpontok száma:... 3,7 milliárd pixel/másodperc Projektgazda: Dr. Wilfried Stoll, ügyvezető társasági tag Festo Holding GmbH Projektvezető: Dr.-Ing. Heinrich Frontzek, Dr.-Ing. Elias Knubben Festo AG & Co. KG Repülő szerkezet: Fesztávolság:...50 cm Súly:...32 g Szárnycsapási frekvencia:... kb. 1 2 Hz Repülési sebesség:...1 2,5 m/s Repülési idő: perc Töltési idő:...15 perc Koncepció és gyártás: Rainer Mugrauer, Günter Mugrauer Effekt-Technik GmbH, Schlaitdorf Elektronika és integráció: Agalya Jebens, Kristof Jebens, Dr.-Ing. Clemens Rabe JNTec GbR, Gärtringen Integrált alkotóelemek: 1 db ATxmega32E5 mikrokontroller, 1 db ATmega328 mikrokontroller, 2 db szervomotor a MARK STAR Servo-tech Co. Ltd. vállalattól a szárnyak vezérléséhez, 1 db MPU-9150 inerciális érzékelő (Inertial Measurement Unit, IMU) giroszkóppal, gyorsulásérzékelő és iránytű, 2 db rádiós modul, kétcellás LiPo akkumulátor, 90 mah, 7,4 V, 2 db infravörös LED mint aktív marker èvideó Tudományos konzulens: Dr. rer. nat. Nina Gaißert Festo AG & Co. KG Festo Automatika Kft Budapest, Csillaghegyi út Hotline: (+36 1) Telefax: (+36 1) hotline_hu@festo.com (ajánlatkérés/megrendelés) info_hu@festo.com (általános kérdések) Festo a közösségi oldalakon FestoMagyarorszag 2015/01/Butterflies